风能发电中叶片受力分析及最佳攻角问题

1.风轮在静止情况下叶片的受力分析

风轮静止时桨叶受力如图2-20所示。

图2-20　风轮静止时桨叶受力图

风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的若干桨叶所组成。在安装这些桨叶时，必须使每支桨叶的翼片按同一旋转方向，桨叶围绕自身轴心线转过一个给定的角度，即：使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面（风轮旋转时桨叶所扫过的平面）形成一个夹角β，称为安装角（也就是桨距角）。图2-20中，α为攻角，设风轮的中心轴位置与风向一致，当气流以速度v流经风轮时，在桨叶Ⅰ和桨叶Ⅱ上将产生气动力F和F′。将F和F′分解成沿气流方向的分力Fx和对F′x（阻力）及垂直气流方向的分力Fy和F′y（升力），阻力F′x和Fx形成对风轮的正面压力，而升力Fy和F′y则对风轮中心轴产生转动力矩，从而使风轮转动起来。

2.风轮在转动情况下叶片的受力分析

风轮在转动情况下的受力如图2-21所示。若风轮旋转角速度为ω，则相对于叶片上距转轴中心r处的一小段叶片元（叶素）的气流速度Wr将是垂直于风轮旋转面的来流速度v与该叶片元的旋转线速度ωr的矢量和，如图2-21所示。

以相对速度Wr吹向叶片元的气流，产生气动力F，F可以分解为垂直于Wr方向的升力Fy，以及与Wr方向一致的阻力Fx，也可以分解为在风轮旋转面内使桨叶旋转的力Fy1以及对风轮正面的压力Fx1。

图2-21　风轮转动时桨叶受力图

由于风轮旋转时叶片位于不同半径处的线速度是不同的，因而相对于叶片各处的气流速度v在大小和方向上也是不同的。如果叶片各处的安装角β都一样，则叶片各处的实际攻角α将不同。这样除了攻角接近最佳值的一小段叶片升力较大外，其他部分所得到的升力则由于攻角偏离最佳值而变得不理想。所以这样的叶片不具备良好的气动特性。为了在沿整个叶片长度方向均能获得有利的攻角数值，必须使叶片每一个截面的安装角随着半径的增大而逐渐减小。在此情况下，才有可能使气流在整个叶片长度均以最有利的攻角吹向每一叶片元，从而具有比较好的气动性能，而且各处受力比较均匀，增加叶片的强度。这种具有变化安装角的叶片称为螺旋桨型叶片，而各处安装角均相同的叶片称为平板型叶片。现在一般都采用螺旋桨型叶片。

3.桨叶受力计算

利用叶片元特性，取距离风力机转轴r处长度为dr的叶片微元进行分析。(www.xing528.com)

式中　ε——升力系数与阻力系数之比，ε=，Cl和Cd的值可按相应的攻角查取所选翼型的气动特性曲线得到；

v——作用在叶片微元上的风速，m/s；

l——翼型的弦长，m。

自然界的风是瞬息万变的，不仅在时间上不断变化，在空间上也分布不均。影响风速变化的因素很多，除了气候、地形环境等因素外，高度的影响也是十分显著的，即

式中　v0——距地面H0观测到的风速，m/s；

vH——高度H的风速，m/s；

n——约在0.1～0.4的系数，具体数值依据地表粗糙度进行选择。

设定v0为风速传感器采到的风速，风速传感器一般安装在机舱上，它与风轮中心的距离与塔架相比可以近似忽略不计，H0就近似等于机舱中心高度。

桨叶在转动过程中，由于风速的不同，在桨叶上产生的力Fx也不同，Fx使桨叶产生垂直于风轮扫掠面的拍打振荡，同时使传动机构和塔架等产生受激振荡，大大降低风力机的机械寿命，并会产生大量的噪声。特别是对风轮直径上百米的大型风力机而言，这一问题更为突出。